WO2013120644A1 - Filamente enthaltender faserverbundwerkstoff und herstellungsverfahren - Google Patents

Filamente enthaltender faserverbundwerkstoff und herstellungsverfahren Download PDF

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WO2013120644A1
WO2013120644A1 PCT/EP2013/050773 EP2013050773W WO2013120644A1 WO 2013120644 A1 WO2013120644 A1 WO 2013120644A1 EP 2013050773 W EP2013050773 W EP 2013050773W WO 2013120644 A1 WO2013120644 A1 WO 2013120644A1
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filament
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composite material
pressure
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PCT/EP2013/050773
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Ulrich GRÜHN
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Lff Composite Technology Gmbh
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    • B29L2031/00—Other particular articles
    • B29L2031/731—Filamentary material, i.e. comprised of a single element, e.g. filaments, strands, threads, fibres

Definitions

  • the invention relates to a fiber composite material comprising filaments which are individually coated with a resin which is crosslinkable under the action of an elevated pressure, an elevated temperature and / or a physical size and / or under the action of a chemical substance.
  • the invention further relates to a method for producing a fiber composite material, comprising the steps:
  • Fiber composites have structures in which fiber material is present in a resin matrix. Such substances have a variety of advantageous properties.
  • the fibers are connected into threads, further processed as a woven, knitted, knitted or laid fabric and dipped into the liquid resin, brought into a desired shape and then dried and cured.
  • prepregs in which the impregnated with resin fiber composite in not fully cured state delivered as a rolled, sheet semi-finished and then brought into shape for the final use.
  • the fiber composite material is then usually cured by the action of elevated pressure and / or elevated temperature.
  • the threads consist of so-called filaments or fibers.
  • a filament is a quasi-endless fiber and consists of plastic, glass, carbon, metal or the like.
  • the filaments used for the fiber composite are made of a plurality of filaments, for example, twisted together and then processed into a surface, for example, woven.
  • the fabric, knitted fabric or knit fabric is dipped in the resin.
  • the fabric, knitted fabric or scrim may also be sprayed with resin or otherwise provided with resin.
  • the disadvantage of this approach is that the resin does not completely penetrate into all tissue parts. The resulting air pockets can lead to weak spots of the final product. The handling of the fiber composite material with not yet cured resin is expensive.
  • WO 2010/128048 A2 and WO 2010/128049 A2 disclose a method in which the filaments are individually coated and only then joined to form a fiber composite material in the form of threads.
  • From the threads areal structures (mats) can be produced, for example by weaving the threads. Three-dimensional objects can then be formed from the planar structures.
  • a resin is selected for the matrix, which is crosslinkable under the action of a physical quantity or a chemical substance.
  • the individual filaments are coated, dried and woven as threads. The filaments adhere to each other through the coating with the resin. Additional coatings are not required. Since the resin is already dried and solvent-free, the fiber composite material can be easily stored or further processed.
  • a two-dimensional surface is produced here.
  • the filaments processed in the film lie next to one another in parallel and are essentially unconstrained. The risk of loss of strength due to curvatures at intersections within a tissue does not exist.
  • the coating of the individual filaments ensures that no air bubbles are generated.
  • the film form also opens up other possibilities for processing as well as other intermediate and end products.
  • Suitable resins are all crosslinkable resins, in particular thermoplastics, thermosets or elastomers.
  • An example of a well-suited resin is silicone resin.
  • the filaments can be made of any material. Examples of such materials are glass fiber or aramids. The use of these materials enables the complete recycling of the end products.
  • the coating of the individual filaments avoids an excess of resin.
  • the resin is selectively used only adhering to the individual filaments. In this way costs are reduced and weak points in the strength avoided. Since resins generally contain crude oil products, the environment is spared with lower consumption. The use of a minimal application system, such as a patty, further prevents any excess resin. A squish or a wide nozzle could subsequently eliminate a surplus that has nevertheless occurred.
  • a plurality of filament foils are stacked on top of each other.
  • the longitudinal axes of the filaments in different filament foils can form selected angles with each other.
  • the filaments may be all unidirectionally or multidirectionally aligned accordingly.
  • the type and number of filament foils can influence the properties of the final product. Since the filaments are completely coated with the unvarnished resin, the films adhere well to each other.
  • the filaments can be different material and / or be different properties. This can also affect the properties of the final product.
  • coated filaments are compacted. This gives them sufficient stability, which facilitates further handling.
  • the coating device may comprise a minimum application system, such as a pattlegrox, with which the respective filaments guided at a distance from one another can be coated on their lateral surfaces with a crosslinkable resin.
  • the coating device may have a container for the resin dispersion in the dip coating, through which the filaments are passed.
  • the distance between the coated single filaments is reduced.
  • the coated filaments are passed over a heating roller for drying, to which a slight pressure is exerted for compacting with a pressure roller.
  • the coated filaments are slightly flattened and widened so that they touch the adjacent filament with the coating side.
  • the filaments can be guided in a wide form over one or more teflon-coated rolls (eg calenders) and thereby dried in a wide mold. Subsequently, the film can be wound up with the least possible tension.
  • the drying of the resin in the production of the filament takes place so far that the viscosity of the resin on the one hand ensures the cohesion of the individual filaments and on the other hand prevents the layers stick together when winding the film.
  • the drying can be done with infrared radiation and convection.
  • the solvent contained in the resin for example water, expelled from the composite.
  • a siliconized pressure roller mounted above the heating roller exerts a slight pressure on the position of the filaments which are narrow and as parallel as possible, so that the individual filaments mainly stick together laterally. As a result, a free composite is formed from the individual filaments and the surrounding resin. The result is an ultrathin filament film that is free of gas inclusions.
  • the final product can consist of several superimposed filament films.
  • a selected temperature and / or pressure is applied to a plurality of superposed filament sheets.
  • a good connection with high strength is achieved.
  • a stable compound in the final product is achieved by the crosslinking.
  • the pressing pressure simultaneously with the action of the increased pressure, the elevated temperature and / or the physical size and / or the action of a chemical substance to Crosslinking of the resin exercised.
  • the films are superimposed, pressed together and at the same time networked.
  • temperatures between 100 ° C and 250 ° C are used.
  • the material properties of the final product are significantly influenced by the height of the temperature or the pressing pressure. With increasing pressing pressure increases the size of the contact surfaces and also the resin bridges generated between the filaments or filament foils. This results in a higher strength and density of the final product with decreasing elasticity.
  • end products are also in the cured and networked! Condition of greater elasticity and also porosity, ie greater surface area generated. This is important for the insulation and absorption properties of the final product.
  • the specific weight of the fiber composite material according to the invention can be varied by selecting the suitable compacting pressure.
  • the filament or filament film assembly of multiple, especially superimposed filamentary films may be formed into a three-dimensional structure prior to crosslinking the resin.
  • the filament films are flexible until crosslinked and can be easily bent.
  • the filament sheets are placed in a heatable form in which the actual crosslinking of the resin takes place under pressure and / or temperature.
  • the filament sheets may also be formed into shape by bending, pressing, rolling, wrapping, thermoforming, laminating, etc. Additional soaking, dipping, spraying, pouring and the like as in conventional methods is not required here.
  • Fig.l is a schematic representation of an arrangement for the production of
  • FIG. 5 is an enlargement of the film from FIG. 4.
  • Fig. 6 is a cross-sectional view of a film having fibers in the resin
  • Fig.7 shows a linear profile
  • Fig.8 shows a U-profile
  • Fig. 9 shows an apparatus for winding a wide filament film on a
  • Figure 1 shows a generally designated 10 arrangement for the production of filament films.
  • Rovings with, for example, 100 to 2000 individual filaments 14 are introduced into a spreading gate 12.
  • the filaments may be 20-24 micrometer diameter glass fibers, 17 micrometer thickness p-aramid, or 20-25 micrometer thickness ceramic.
  • the thickness of the roving is 3 mm in the embodiments described below for glass fiber, 2 mm in the case of p-aramid and 3 mm in the case of ceramics.
  • a roving of about 1 mm wide is spread to a width of about 20 mm.
  • a radiation source 16 is provided for infrared radiation. With the radiation generated by the radiation source 16, the rovings 14 are preheated from above and below.
  • the preheated rovings 14 are guided by a plow 18.
  • the rovings are coated all around with a resin 20.
  • the coated rovings are heated again with infrared radiation from a radiation source 22.
  • the rovings are passed over a contact heat roller 24.
  • the contact heating roller 24 is convex, as can be seen in the side view in Figure 2. This "barrel" shape ensures that the filaments lie side by side, and the contact heat roller 24 is heated to about 100 ° C.
  • FIG. 3 shows a schematic cross-section of the filaments in a filament arrangement 36 in the resin after leaving the compaction rollers 26 and 28.
  • the filament film 44 thus produced can now be wound up, stored and further processed. It is stable enough and flexible for these purposes.
  • a prepack is made.
  • One or more films are stacked in the desired combination and compacted by low pressure and low temperature, up to about 100 degrees.
  • This prepack can then be placed in a mold.
  • In the form then creates the desired three-dimensional design of the final product by pressure.
  • pressure and temperature to 250 degrees, the crosslinking of the resin.
  • individual filament sheets are inserted into the mold.
  • a plurality of prepackers are placed one above the other in the mold. For this purpose, several individual layers, for example, between 2 and 40 individual layers are superimposed.
  • the assembly is then pressed at a temperature between 90 ° C and 100 ° C and a slight pressure of 70 to 100 N / mm 2 .
  • the pressing pressure for a finished part is then much higher at 500 to 1000 N / mm 2 .
  • the required filament foils can be produced by functionalizing the resin matrix directly in the filament coating: 1. Formulation for high-temperature application
  • adhesion promoter amino-functional silane (20%); contributes to increase the adhesion between ceramic fiber and resin dispersion and thereby increases the mechanical strengths
  • temperature stable pigments inorganic: use up to about 350 ° C (e.g.
  • temperature stable pigments metallic: use up to about 650 ° C (e.g.
  • defoamer polysiloxane copolymer emulsified in H 2 O (20% strength) (for example from Evonik).
  • the fleet is permanently kept in motion to avoid the formation of agglomerates.
  • the films are dried in the manufacturing process at about 90 ° C-100 ° C.
  • the pressing temperatures are between 210 ° C and 240 ° C.
  • a transformer is protected by a heat-resistant and chemical-resistant enclosure.
  • a heat-resistant and chemical-resistant enclosure In this case, in the size of a shoe box with dimensions height x width x depth: 150mm x 300mm x 200mm. The thickness of the material is in the range of 3 mm corresponding to 15-20 layers.
  • Such a lightweight explosion flap is used for sudden pressure relief of silos in structural explosion protection, for example in the cement industry or mining. Compared to conventional metallic solutions, these flaps open much faster due to their 40% weight reduction.
  • a thin aluminum foil is introduced between the outer layers of filament foil.
  • the reinforcing fibers used here are made of fiberglass.
  • the outermost layer of the 30-layer composite consists of a thin aluminum foil of about 75 micrometers thickness.
  • the diameter of a typical explosion flap is 80 cm and has a material thickness of 1 cm.
  • Basis is the recipe 3) for a high-temperature housing.
  • the fiber composite material is compressed on a high-performance press together with a thin aluminum sheet having a thickness in the range of 0.1 mm at a temperature well above 250 ° C at maximum pressure.
  • This surface can be treated in contrast to known silicone resin surfaces with all conventional paint formulations.
  • the resin matrix in this case consists of PEEK polyether ketone ketone. Due to the high glass transition point at 165 ° C, PEEK is resistant to superheated steam sterilization. Polyether ketones are resistant to almost all organic and inorganic chemicals. So they are up to 280 ° C resistant to hydrolysis. The pressing temperature is in the range 220 ° C and 250 ° C. 7) Formable engine compartment - soundproofing
  • the thermal insulation values can be increased by adding further ceramic fillers or by increasing the proportion of pulp or fiber fillers.
  • the mass depends on the respective engine type. For example, 30 layers are pressed in a three-dimensional tool at a temperature above 220 ° C at maximum pressure.
  • FIG. 7 and FIG. 8 show examples of a linear profile (FIG. 7) and a U-profile (FIG. 8).
  • a typical cable support is about 300 mm wide and 200 mm wide.
  • several individual layers are placed one above the other or prefabricated prepack and then manufactured with a pressure in the range of 700 N / mm 2 and a temperature above 220 ° C.
  • the invention is of course not limited to this U-profile described here.
  • Fiber Depending on the application - glass fiber or p-aramid
  • crosslinking may be initiated by the addition of crosslinking chemicals, for example, isocyanate.
  • FIG. 9 shows an apparatus for winding a wide filament film 52 approximately 120 cm wide onto a pipe 56 having an axis 54.
  • the filament film is exposed to radiation from an infrared radiation source 58.
  • an infrared radiation source 58 By the radiation that becomes Material heated to a temperature above 220 ° C and triggered the further crosslinking of the resin.

Landscapes

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Abstract

Ein Faserverbundwerkstoff enthaltend Filamente (14), die einzeln mit einem unter Einwirkung eines erhöhten Drucks, einer erhöhten Temperatur und/oder einer physikalischen Größe und/oder unter Einwirkung eines chemischen Stoffs vemetzbaren Harz (20) beschichtet sind, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Filamente parallel nebeneinander in einer Fläche angeordnet sind, und die Beschichtungen der Filamente aus unvemetztem Harz aneinander haften, so dass eine weiterverarbeitbare Filamentfolie (44) gebildet wird.

Description

FILAMENTE ENTHALTENDER FASERVERBUNDWERKSTOFF UND
HERSTELLUNGSVERFAHREN
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Faserverbundwerkstoff enthaltend Filamente, die einzeln mit einem unter Einwirkung eines erhöhten Drucks, einer erhöhten Temperatur und/oder einer physikalischen Größe und/oder unter Einwirkung eines chemischen Stoffs vernetzbaren Harz beschichtet sind. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffs, mit den Schritten:
(a) Beschichten von Filamenten mit einem unter Einwirkung eines erhöhten Drucks, einer erhöhten Temperatur und/oder einer physikalischen Größe und/oder unter Einwirkung eines chemischen Stoffs vernetzbaren Harz, und
(b) Kompaktierung der Filamente, so dass diese aneinanderhaften.
Faserverbundwerkstoffe haben Strukturen, bei denen Fasermaterial in einer Harz -Matrix vorliegt. Derartige Stoffe haben eine Vielzahl von vorteilhaften Eigenschaften. Die Fasern werden zu Fäden verbunden, als Gewebe, Gewirk, Gestrick oder Gelege weiterverarbeitet und in das flüssige Harz getaucht, in eine gewünschte Form gebracht und anschließend getrocknet und ausgehärtet. Es sind auch sogenannte Prepregs bekannt, bei denen der mit Harz imprägnierte Faserverbund in nicht vollständig ausgehärtetem Zustand als aufgerolltes, flächenhaftes Halbzeug ausgeliefert und erst dann für die endgültige Verwendung in Form gebracht wird. Der Faserverbundwerkstoff wird erst dann gewöhnlich durch Einwirkung von erhöhtem Druck und/oder erhöhter Temperatur ausgehärtet. Die Fäden bestehen aus sogenannten Filamenten oder Fasern. Ein Filament ist eine quasi endlos lange Faser und besteht aus Kunststoff, Glas, Kohlenstoff, Metall oder dergleichen. Die für den Faserverbund verwendeten Fäden werden aus einer Vielzahl von Filamenten hergestellt, die beispielsweise miteinander verdreht und anschließend zu einer Fläche verarbeitet, beispielsweise gewebt werden.
Zum Imprägnieren wird das Gewebe, Gewirk, Gestrick oder Gelege in das Harz eingetaucht. Das Gewebe, Gewirk, Gestrick oder Gelege kann aber auch mit Harz besprüht oder auf andere Weise mit Harz versehen werden. Nachteilig bei dieser Vorgehensweise ist es, dass das Harz nicht vollständig in alle Gewebeteile eindringt. Die dadurch entstehenden Lufteinschlüsse können zu Schwachstellen des Endprodukts führen. Die Handhabung des Faserverbundwerkstoffes mit noch nicht ausgehärtetem Harz ist aufwändig.
Stand der Technik
WO 2010/128048 A2 und WO 2010/128049 A2 offenbaren ein Verfahren, bei dem die Filamente einzeln beschichtet und erst anschließend zu einem Faserverbundwerkstoff in Form von Fäden verbunden werden. Aus den Fäden können flächenhafte Gebilde (Matten) hergestellt werden, z.B. durch das Weben der Fäden. Aus den flächenhaften Gebilden können anschließend dreidimensionale Gegenstände geformt werden. Dabei wird für die Matrix ein Harz ausgewählt, das unter Einwirkung einer physikalischen Größe oder eines chemischen Stoffes vernetzbar ist. Die einzelnen Filamente werden beschichtet, getrocknet und als Fäden verwebt. Die Filamente haften durch die Beschichtung mit dem Harz aneinander. Zusätzliche Beschichtungen sind nicht erforderlich. Da das Harz bereits getrocknet und lösungsmittelfrei ist, kann der Faserverbundwerkstoff problemlos gelagert oder weiterverarbeitet werden. Erst, wenn der Faserverbundwerkstoff seine endgültige Form erhalten hat, wird die Vernetzung des Harzes ausgelöst. Nachteilig bei dem bekannten Verfahren ist es, dass an den Kreuzungspunkten von Kette und Schuss die Fäden oder Bündel/Stränge von Fäden (Rovings) in gewellter Form vorliegen, was die Fäden bei Belastung beansprucht. Dies führt zu Festigkeitsverlusten. Offenbarung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Faserverbundwerkstoff und ein Verfahren zu seiner Herstellung zu schaffen, der eine erhöhte Festigkeit aufweist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung einen verbesserten Faserverbundwerkstoff zu schaffen, der andere Möglichkeiten der Verarbeitung und neue Verwendungsmöglichkeiten schafft.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem Faserverbundwerkstoff der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass
(a) die Filamente flächenmäßig parallel nebeneinander angeordnet sind, und
(b) die Beschichtungen der Filamente aus unvernetztem Harz aneinander haften, so dass eine weiterverarbeitbare Filamentfolie gebildet wird.
Unter dem Begriff „unvernetzt" wird bei der vorliegenden Erfindung ein Vernetzungsgrad verstanden, bei dem das Material weich und formbar ist. Das Material kann somit vollständig ohne Quervernetzung oder aber auch mit einem nur teilweisen Quervernetzungsgrad vorliegen, der eine weitere Vernetzung erlaubt. Der Begriff „vernetzt" wird hier so verstanden, dass das Material einen gewünschten Härtegrad durch Erhöhung des Vernetzungsgrades erreicht. Dies kann zum Beispiel durch Zugabe einer entsprechenden Menge Vernetzungsmittel oder Einwirkung von Wärme oder dergleichen erreicht werden.
Anders als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Fäden, wird hier eine zweidimensionale Fläche hergestellt. Die in der Folie verarbeiteten Filamente liegen parallel nebeneinander und sind im wesentlichen ungekrümmt. Die Gefahr, dass Festigkeitsverluste durch Krümmungen an Kreuzungspunkten innerhalb eines Gewebes erfolgen, besteht nicht. Durch die Beschichtung der einzelnen Filamente ist sichergestellt, dass keine Lufteinschlüsse erzeugt werden. Die Folienform eröffnet darüber hinaus andere Möglichkeiten der Verarbeitung sowie andere Zwischen -und Endprodukte.
Die so hergestellten Filamentfolien können gut gelagert, transportiert und weiterverarbeitet werden. Insbesondere kann das Harz in den Filamentfolien durch Einwirkung eines erhöhten Drucks und einer erhöhten Temperatur vernetzt werden. Dadurch erhält das Harz seine endgültigen Eigenschaften bezüglich Festigkeit, Härte, und dergleichen. Es versteht sich, dass auch andere Vernetzungsmittel, etwa Bestrahlung mit energiereicher Strahlung oder chemische Vernetzungsmittel eingesetzt werden können. Die Vernetzung kann an einem anderen Ort und zu einem anderen Zeitpunkt erfolgen.
Als Harze sind alle vernetzbaren Harze geeignet, insbesondere Thermoplaste, Duroplaste oder Elastomere. Ein Beispiel für ein gut geeignetes Harz ist Silikonharz. Die Filamente können aus beliebigem Material bestehen. Beispiele für solche Materialien sind Glasfaser oder Aramide. Die Verwendung dieser Materialien ermöglicht das vollständige Recycling der Endprodukte.
Die Beschichtung der einzelnen Filamente vermeidet einen Überschuss an Harz. Das Harz wird gezielt nur an den einzelnen Filamenten anhaftend eingesetzt. Auf diese Weise werden Kosten gesenkt und Schwachstellen bei der Festigkeit vermieden. Da Harze in der Regel Rohölprodukte enthalten, wird bei geringerem Verbrauch die Umwelt geschont. Die Verwendung eines Minimalauftragssystems, etwa einer Pflatsche, wird ein möglicher Harzüberschuss weiter verhindert. Ein Quetschwerk oder eine breite Düse könnte einen dennoch entstandenen Überschuss nachträglich beseitigen.
In einer Ausgestaltung der Erfindung sind mehrere Filamentfolien übereinander geschichtet. Dabei können die Längsachsen der Filamente in unterschiedlichen Filamentfolien ausgewählte Winkel miteinander bilden. Die Filamente können entsprechend alle unidirektional oder multidirektional ausgerichtet sein. Durch Art und Anzahl der Filamentfolien können die Eigenschaften des Endprodukts beeinflusst werden. Da die Filamente vollständig mit dem unvemetzten Harz beschichtet sind, haften die Folien gut aneinander. Die Filamente können unterschiedlichen Materials und/oder unterschiedlicher Eigenschaften sein. Auch dadurch lassen sich die Eigenschaften des Endprodukts beeinflussen.
Der Faserverbundwerkstoff kann nach einem Verfahren hergestellt werden mit den Schritten:
(a) Beschichten von Filamenten mit einem unter Einwirkung eines erhöhten Drucks, einer erhöhten Temperatur und/oder einer physikalischen Größe und/oder unter Einwirkung eines chemischen Stoffs vernetzbaren Harz, und
(b) Kompaktierung der Filamente, so dass diese aneinander haften.
Das Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass
(c) die Filamente bei der Kompaktierung vorwiegend seitlich aneinander haften, so dass eine flächenhafte, weiterverarbeitbare Filamentfolie gebildet wird.
Die beschichteten Filamente werden kompaktiert. Dadurch erhalten sie eine ausreichende Stabilität, welche die weitere Handhabung erleichtert.
Vorzugsweise werden die Filamente vor dem Kompaktieren getrocknet, falls das Harz in einem Lösungsmittel vorliegt. Vorzugsweise werden die Filamente zum Beschichten beabstandet zueinander seitlich nebeneinander durch ein Spreizgatter oder eine andere Zuführeinrichtung zu einer Beschichtungseinrichtung geführt. Dadurch wird sichergestellt, dass die Filamente einzeln beschichtet werden. Mit dem Spreizgatter wird vermieden, dass die Filamente vor dem Trocknen zusammengezogen werden und zu früh aneinander haften.
Die Beschichtungseinrichtung kann ein Minimalauftragssystem, etwa eine Pflatsche umfassen, mit der die jeweils in einem Abstand zueinander geführten Filamente an ihren Mantelflächen mit einem vernetzbaren Harz beschichtbar sind. Die Beschichtungseinrichtung kann bei der Tauchbeschichtung ein Behältnis für die Harzdispersion aufweisen, durch das die Filamente geführt werden.
Vorzugsweise wird zur Kompaktierung und Verbindung der Filamente mit angrenzenden Filamenten der Abstand zwischen den beschichteten Einzelfilamenten verkleinert. Dies kann durch eine entsprechende Führung erfolgen. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden die beschichteten Filamente zum Trocknen über eine Heizwalze geführt, auf die zum Kompaktieren mit einer Anpresswalze ein leichter Druck ausgeübt wird. Die beschichteten Filamente werden dabei etwas abgeflacht und verbreitern sich, so dass sie das angrenzende Filament mit der Beschichtung seitlich berühren. Die Filamente können in breiter Form über eine oder mehrere teflonisierte Walzen (z.B. Kalander) geführt und dabei in breiter Form getrocknet werden. Anschließend kann die Folie mit möglichst geringer Spannung aufgewickelt werden. Die Trocknung des Harzes bei der Herstellung der Filamentfolie erfolgt so weit, dass die Viskosität des Harzes zum einen den Zusammenhalt der Einzelfilamente sicherstellt und zum anderen verhindert, dass die Lagen beim Aufwickeln der Folie verkleben. Die Trocknung kann mit Infrarotstrahlung und Konvektion erfolgen. Dadurch wird das in dem Harz enthaltene Lösungsmittel, beispielsweise Wasser, aus dem Verbund ausgetrieben.
Über eine oberhalb der Heizwalze angebrachte silikonisierte Anpresswalze wird auf die Lage der eng und möglichst parallel nebeneinander liegenden Filamente ein leichter Druck ausgeübt, so dass die einzelnen Filamente vorwiegend seitlich zusammenkleben. Dadurch wird aus den Einzelfilamenten und dem diese umgebenden Harz ein freier Verbund gebildet. Es entsteht eine ultradünne Filamentfolie, die frei von Gaseinschlüssen ist.
Das Endprodukt kann aus mehreren, übereinanderliegenden Filamentfolien bestehen. Vorzugsweise wird eine ausgewählte Temperatur und/oder ein ausgewählter Pressdruck auf mehrere, übereinanderliegende Filamentfolien ausgeübt. Über die Temperatur und/oder den Anpressdruck wird eine gute Verbindung mit hoher Festigkeit erreicht. Es muss kein weiteres Harz und kein weiteres Verbindungsmittel eingesetzt werden. Eine stabile Verbindung im Endprodukt wird durch die Vernetzung erreicht.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird der Pressdruck gleichzeitig mit der Einwirkung des erhöhten Drucks, der erhöhten Temperatur und/oder der physikalischen Größe und/oder der Einwirkung eines chemischen Stoffs zur Vernetzung des Harzes ausgeübt. Mit anderen Worten: Die Folien werden übereinandergelegt, zusammengepresst und gleichzeitig vernetzt. Typischerweise werden dabei Temperaturen zwischen 100°C und 250°C eingesetzt. Die Materialeigenschaften des Endprodukts werden wesentlich durch die Höhe der Temperatur bzw. des Pressdrucks beeinflusst. Mit steigendem Pressdruck nimmt die Größe der Kontaktflächen und auch der zwischen den Filamenten oder Filamentfolien erzeugten Harzbrücken zu. Dadurch wird eine höhere Festigkeit und Dichte des Endprodukts bei abnehmender Elastizität bewirkt. Bei geringerem Pressdruck werden Endprodukte mit auch im ausgehärteten und vernetzten! Zustand größerer Elastizität und auch Porosität, d.h. größerer Oberfläche erzeugt. Dies ist für die Dämm- und Absorptionseigenschaften des Endprodukts wichtig. Das spezifische Gewicht des erfmdungsgemäßen Faserverbundmaterials lässt sich durch Wahl des geeigneten Pressdrucks variieren.
Die Filamentfolie oder die Filamentfolienanordnung aus mehreren, insbesondere übereinandergelegten Filamentfolien kann vor dem Vernetzen des Harzes zu einer dreidimensionalen Struktur geformt werden. Die Filamentfolien sind bis zur Vernetzung flexibel und können leicht gebogen werden. Vorzugsweise werden die Filamentfolien in eine beheizbare Form eingelegt, in der unter Druck und/oder Temperatur die eigentliche Vernetzung des Harzes stattfindet. Die Filamentfolien können auch durch Biegen, Pressen, Walzen, Wickeln, Tiefziehen, Laminieren usw. in die endgültige Form gebracht werden. Zusätzliches Tränken, Tauchen, Besprühen, Eingießen und dergleichen wie bei konventionellen Verfahren ist hier nicht erforderlich.
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unter ansprüche. Ein Ausführungsbeispiel ist nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig.l ist eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Erzeugung von
Filamentfolien aus Filamenten, die einzeln beschichtet werden. Fig.2 ist eine schematische Darstellung einer Heizwalze. zeigt einen schematischen Querschnitt der Filamente in einer Filamentanordnung in Harz nach Verlassen der Kompaktierungswalzen.
Fig.4 zeigt eine Filament-Folie nach der Kompaktierung.
Fig.5 ist eine Vergrößerung der Folie aus Figur 4.
Fig.6 ist ein Querschnitt durch eine Folie mit Fasern im Harz
Fig.7 zeigt ein lineares Profil.
Fig.8 zeigt ein U-Profil.
Fig. 9 zeigt eine Vorrichtung zum Wickeln einer breiten Filament-Folie auf ein
Rohr.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Figur 1 zeigt eine allgemein mit 10 bezeichnete Anordnung zur Erzeugung von Filamentfolien. Rovings mit beispielsweise 100 bis 2000 Einzelfilamenten 14 werden in ein Spreizgatter 12 eingeführt. Die Filamente können beispielsweise aus Glasfasern mit einer Dicke von 20-24 Mikrometer Durchmesser, p-Aramid mit einer Dicke im Bereich von 17 Mikrometer oder Keramik mit einer Dicke von 20 bis 25 Mikrometern bestehen. Die Dicke der Roving liegt bei den nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen für Glasfaser bei 3 mm, bei p-Aramid 2mm und bei Keramik bei 3mm. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein Roving von etwa 1 mm Breite auf eine Breite von etwa 20 mm gespreizt. Hinter dem Spreizgatter 12 ist eine Strahlungsquelle 16 für Infrarotstrahlung vorgesehen. Mit der von der Strahlungsquelle 16 erzeugten Strahlung werden die Rovings 14 von oben und unten vorgewärmt. Die vorgewärmten Rovings 14 werden durch eine Pflatsche 18 geführt. In der Pflatsche 18 werden die Rovings rundum mit einem Harz 20 beschichtet. Die beschichteten Rovings werden erneut mit Infrarotstrahlung einer Strahlungsquelle 22 geheizt. Anschließend werden die Rovings über eine Kontakt-Heizwalze 24 geführt. Die Kontakt- Heizwalze 24 ist konvex ausgebildet, wie dies in der Seitenansicht in Figur 2 erkennbar ist. Durch diese„Tonnen"-Form wird sichergestellt, dass die Filamente nebeneinander liegen. Die Kontakt-Heizwalze 24 ist auf etwa 100°C geheizt.
Hinter der Kontakt-Heizwalze 24 sind zwei Kompaktierungswalzen 26 und 28 angeordnet. Die Rovings 14 werden zwischen den Kompaktierungswalzen 26 und 28 hindurchgeführt. Dabei wird ein leichter Pressdruck ausgeübt, der in der Regel einen Wert von 30N/mm2 nicht überschreitet. Bei diesem vergleichsweise geringen Druck erfolgt bei den meisten Harz-Materialien keine oder nur eine vernachlässigbare Vernetzung des Harzes 20. Die Filamente 30 der Rovings werden bei diesem Pressdruck nebeneinandergelegt und liegen in einer Matrix aus Harz 20 vor. Figur 3 zeigt einen schematischen Querschnitt der Filamente in einer Filamentanordnung 36 in dem Harz nach Verlassen der Kompaktierungswalzen 26 und 28.
Hinter den Kompaktierungswalzen 26 und 28 erfolgt eine weitere Erwärmung an einer konvexen Kontakt-Heizwalze bei 100°C, die identisch zur Kontakt-Heizwalze 24 ist. Anschließend wird die Filament- Anordnung 36 mit Infrarotstrahlung aus einer weiteren Infrarot-Strahlungsquelle 38 bestrahlt. Die bestrahlte Filament- Anordnung 36 wird in einer weiteren Anordnung mit zwei Kompaktierungswalzen 40 und 42 kompaktiert. Der dabei auf die Filament-Anordnung 36 ausgeübte Pressdruck im Bereich von 50 N/mm2 ist größer als der Pressdruck an den Walzen 26 und 28. Bei diesem Kompaktierungsschritt entsteht eine Filament-Folie 44, die in Figur 4 und in Vergrößerung in Figur 5 schematisch im Querschnitt dargestellt ist. Auch hier erfolgt bei den meisten Harz-Materialien keine oder nur eine vernachlässigbare Vernetzung des Harzes 20.
Man erkennt in Figur 4, dass die Filamente 30 in der Filament-Folie 44 sehr gleichmäßig nebeneinander liegen und durch den sie umgebenden Harz 20 zusammengehalten werden. Dabei wirken im wesentlichen einfache Adhäsionskräfte. Eine Quervernetzung des Harzes über den möglicherweise im Harz der Pflatsche 18 vorliegenden geringeren Vernetzungsgrad hinaus ist noch nicht erfolgt.
Die so erzeugte Filamentfolie 44 kann nun aufgewickelt, gelagert und weiterverarbeitet werden. Sie ist für diese Zwecke stabil genug und flexibel.
Die Herstellung eines Produkts erfolgt wie folgt: Zunächst wird ein Prepack hergestellt. Dabei werden eine oder mehrere Folien in der gewünschten Kombination übereinandergelegt und durch geringen Druck und geringe Temperatur, etwa bis rund 100 Grad kompaktiert. Dieses Prepack kann dann in eine Form eingelegt werden. In der Form entsteht dann die gewünschte dreidimensionale Ausbildung des Endprodukts durch Druck. Gleichzeitig erfolgt durch Druck und Temperatur bis 250 Grad die Vernetzung des Harzes. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel werden einzelne Filamentfolien in die Form eingelegt. In einem weiteren Ausführungsbeispiel werden mehrere Prepacks übereinander in die Form gelegt. Hierzu werden mehrere Einzellagen, etwa zwischen 2 und 40 Einzellagen übereinandergelegt. Die Anordnung wird anschließend bei einer Temperatur zwischen 90°C und 100°C und einem leichten Druck von 70 bis 100 N/mm2 verpresst. Der Pressdruck für ein Fertigteil liegt dann wesentlich höher bei 500 bis 1000 N/mm2.
Je nach Einsatz, Beanspruchung und gewünschter Anforderung können die erforderlichen Filamentfolien produziert werden, indem die Harzmatrix direkt bei der Filamentbeschichtung entsprechend funktionalisiert wird: 1. Rezeptur für Hochtemperatur- Anwendung
Beispiele für derartige Hochtemperatur-Anwendungen sind die Dämmung von Motorteilen, Auspuffsystemen oder Öfen. Dies kann Plattenware sein mit Maßen, die typischerweise im Bereich von 100 cm Breite, 120 cm Länge und 5 mm Dicke bestehen. Die Platten bestehen je nach Anwendung aus 20 bis 25 Einzellagen. Eine Vernetzung erfolgt bei Temperaturen oberhalb von 230°C. a) Faser: Keramik- und p-Aramidfaser b) 72 Gew.-% Harz: nicht-ionische-Polysiloxanharz Dispersion (50%ig), niedrigviskos (z.B. Tego/Evonik)
c) 1 Gew.-% Haftvermittler: amino funktionelles Silan (20%ig); trägt zur Erhöhung der Haftung zwischen Keramikfaser und Harzdispersion bei und erhöht dadurch die mechanischen Festigkeiten
d) 21 Gew.-% temperaturstabile Pigmente: anorganisch: Einsatz bis ca. 350°C (z.B.
Glimmer) oder
e) 21 Gew.-% temperaturstabile Pigmente: metallisch: Einsatz bis ca. 650°C (z.B.
Alu/Stapa)
f) 5 Gew.-% Aluminium-Silikat-Hohlkugeln
g) 1 Gew.-% Entschäumer: Polysiloxancopolymer in H20 emulgiert (20%ig)(z.B. von Evonik).
Die Flotte wird zur Vermeidung der Bildung von Agglomeraten permanent in Bewegung gehalten. Getrocknet werden die Folien im Herstellungsprozess bei ca. 90°C-100°C. Die Presstemperaturen liegen zwischen 210°C und 240°C.
2. Dämmmaterial für den Einbau in Schienenfahrzeuge oder im Schiffsbau
Besonders im Passagier-Schiffsbau werden an die Kabinen-Isoliersysteme hohe Anforderungen bezüglich Vibrationen und Schalldämmung zur Verringerung der akustischen Weiterleitungen gestellt. Gleichzeitig werden hohe mechanische Abriebfestigkeits- und Thermodämmwerte gefordert. Um eine größtmögliche Oberfläche zu erzielen, werden einer Harzdispersion kleinstgeschnittene Faserfüllstoffe beigefügt. Derartige Faserfüllstoffe können Glas - Mineralfaser - Aramide; Länge:0,15mm-2,5mm oder Fibride, etwa eine Aramid-Pulpe sein. Ein Beispiel für eine so hergestellte Folie ist in Figur 6 dargestellt. Man erkennt, dass zwischen den Filamenten 30 in der Harzmatrix 20 Faserfüllstoffe 50 vorliegen. Der Wert der Absorptionsfläche von z.B. Aramidpulpe liegt zwischen 10qm/g und 13qm/g. Dadurch wird das Absorptionsverhalten um fast 75% gesteigert. Um Verklumpungen entgegenzuwirken, muss auch hier die Beschichtungsflotte permanent umgepumpt werden. Verpresst man nach dem Trocknen die einzelnen Lagen zum fertigen Verbund, ist darauf zu achten, mit einem reduzierten Pressdruck zu arbeiten - der Faserverbund darf nicht zu stark gepresst werden. a) Faser: Keramik und para-Aramid
b) 13 Gew.-% Faserfüllstoffe: Glasfaser u. p-Aramid (0,5 - 2,5mm)
c) 4 Gew.-% Fibride: p-Aramid-Pulpe-hochfibrilliert (1,5 - 2,5mm)
d) 45 Gew.-% Siliconharz (z.B. Tego/Evonik)
e) 10 Gew.-% Wasser
f) 1 Gew.-% Entschäumer
g) 27 Gew.-% Füllstoffe: anorgan. Pigmente
3. Hochtemperatur-Umhausung aus Filamentfolien-Composite
Ein Transformator wird von einer wärmebeständigen und chemikalienresistenten Umhausung geschützt. In diesem Fall in der Größe eines Schuhkartons mit den Abmessungen Höhe x Breite x Tiefe: 150mm x 300 mm x 200 mm. Die Stärke des Materials liegt im Bereich von 3 mm entsprechend 15-20 Lagen. a) Filamente: p-Aramid und Glasfaser
b) 66 Gew.-% Lineares organofunktionelles Polysiloxan (z.B. Tego/Evonik) c) 2 Gew.-% Haftvermittler: aminofunktionelles Silan ( z.B. Dynasylan/Evonik) d) 1 Gew.-% Entschäumer: Polysiloxancopolymer (20%) in H20 emulgiert e) 11 Gew.-% Füllstoff: Kurzfaserschnitte aus para-Aramid
f) 20 Gew.-% Füllstoff: temperaturstabiles, anorganisches Pigment: Glimmer
Die Trocknungstemperatur bei der Filamentfolienherstellung beträgt 90°C-100°C. Beim späteren Verpressen zum Faserverbundwerkstoff muss die Temperatur bei diesem organofunktionellen Polysiloxanharz zwischen 260°C und 270°C liegen, da oberhalb von 250°C die organofunktionellen Gruppen dieses Harztypes beginnen sich abzubauen und werden in ein Silikatgerüst transformiert.
4) Filamentfolien-Composite als konstruktiver Explosionsschutz für Rohrleitungen
Eine solche Leichtbau-Explosionsklappe dient zur plötzlichen Druckentlastung von Silos im konstruktiven Explosionsschutz, z.B. in der Zementindustrie oder im Bergbau. Gegenüber herkömmlichen, metallischen Lösungen öffnen sich diese Klappen aufgrund ihres um 40Gew.-% geringeren Gewichtes deutlich schneller. Um die UV-Stabilität zu erhöhen, wird zwischen den äußeren Filamentfolien-Lagen eine dünne Aluminiumfolie eingebracht. Die Verstärkungsfasern, die hier eingesetzt werden, bestehen aus Glasfasermaterial. Die äußerste Lage des 30-lagigen Verbundes besteht aus einer dünnen Aluminiumfolie von etwa 75 Mikrometer Dicke. Der Durchmesser einer typischen Explosionsklappe liegt bei 80 cm und hat eine Materialstärke von 1 cm. a) Wässrige, aliphatische Polyester-Polyurethan Dispersion
b) Blockierter Isocyanat- Vernetzer
c) Nicht ionogenes antimikrobielles Additiv (Triazol-Verbindung)
d) Entschäumer
e) Wasser
f) Füllstoff: 10 Gew.-% Glasfaser
5) Metall - Filamentfolien-Hybrid insbesondere für den Automobilbau
Grundlage ist die Rezeptur 3) für eine Hochtemperatur-Umhausung. Der Faserverbundwerkstoff wird auf einer Hochleistungspresse zusammen mit einem dünnen Aluminiumblech mit einer Dicke im Bereich von 0,1mm bei einer Temperatur deutlich über 250°C bei maximalem Druck miteinander verpresst. Diese Oberfläche kann man im Gegensatz zu bekannten Silikonharzoberflächen mit allen üblichen Lackformulierungen behandeln.
6) Filamentfolien-Composites für die Medizintechnik
Im Vergleich zu faserverstärkten Extrudaten werden bei den Filamentfolien-Composites deutlich höhere Zug- und Biege-Festigkeiten erreicht. Die Harzmatrix besteht in diesem Falle aus PEEK - Polyetherketonketon. Durch den hohen Glasübergangspunkt bei 165°C ist PEEK beständig gegen Heißdampfsterilisation. Polyetherketone sind gegen fast alle organischen und anorganischen Chemikalien beständig. So sind sie auch bis 280°C beständig gegen Hydrolyse. Die Presstemperatur liegt im Bereich 220°C und 250°C. 7) Formbare Motorraum - Schalldämmung
Grundlage hierfür ist Rezeptur 2). Die Wärmedämmwerte können durch Zusatz von weiteren Keramikfüllstoffen oder durch die Erhöhung des Pulpeanteils oder der Faserfüllstoffe erhöht werden. Je nach Anforderung richten sich die Masse nach dem jeweiligen Motortyp. Beispielsweise werden 30 Lagen in einem dreidimensionalen Werkzeug bei einer Temperatur oberhalb von 220°C bei maximalem Druck verpresst.
8) Profile; z.B. U-Profil als Kabelbühnenträger
Figur 7 und Figur 8 zeigen Beispiele für ein lineares Profil (Fig.7) und ein U-Profil (Fig.8). Ein typischer Kabelbühnenträger ist etwa 300 mm breit und 200 mm breit. In eine Form mit diesen Maßen werden mehrere Einzellagen übereinander oder vorgefertigte Prepacks eingelegt und dann mit einem Pressdruck im Bereich von 700 N/mm2 und einer Temperatur oberhalb von 220°C gefertigt. Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf dieses hier beschriebene U-Profil beschränkt.
a) Faser: Je nach Einsatz - Glasfaser oder p-Aramid
b) Harz: wässrige, aliphatische PES-PU-Dispersion
c) Isocyanat- Vernetzer
d) Entschäumer Wasser
e) Füllstoff: 5-8 Gew.-% Glimmer
In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann die Vernetzung durch Zugabe von Vernetzungschemikalien, beispielsweise Isocyanat ausgelöst werden.
9) Rundprofile: Stab - Rohr
Per Wickeltechnik können Stäbe, Rohre, Rundprofile sehr einfach und mit schnelleren Produktions-Zyklen hergestellt werden, weil es sich um Breitware 52 und nicht um einzelne Rovings oder Fäden handelt. Dies ist in Figur 9 zu erkennen. Figur 9 zeigt eine Vorrichtung zum Wickeln einer breiten Filament-Folie 52 von etwa 120 cm Breite auf ein Rohr 56 mit einer Achse 54. Während des Wickelprozesses wird die Filament-Folie der Strahlung einer Infrarot-Strahlungsquelle 58 ausgesetzt. Durch die Strahlung wird das Material auf eine Temperatur oberhalb von 220°C erwärmt und die weitere Vernetzung des Harzes ausgelöst.

Claims

Patentansprüche
1. Faserverbundwerkstoff enthaltend Filamente, die einzeln mit einem unter Einwirkung eines erhöhten Drucks, einer erhöhten Temperatur und/oder einer physikalischen Größe und/oder unter Einwirkung eines chemischen Stoffs vernetzbaren Harz beschichtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass
(a) die Filamente parallel nebeneinander in einer Fläche angeordnet sind, und
(b) die Beschichtungen der Filamente aus unvernetztem Harz aneinander haften, so dass eine weiterverarbeitbare Filamentfolie gebildet wird.
2. Faserverbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Filamentfolien übereinander geschichtet sind.
3. Faserverbundwerkstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
Längsachsen der Filamente in unterschiedlichen Filamentfolien entsprechend den gewünschten Eigenschaften ausgewählte Winkel miteinander bilden.
4. Faserverbundwerkstoff nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Filamente unterschiedlichen Materials und/oder unterschiedlicher Eigenschaften vorgesehen sind.
5. Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffs nach einem der vorgehenden Ansprüche, mit den Schritten:
(a) Beschichten von Filamenten mit einem unter Einwirkung eines erhöhten Drucks, einer erhöhten Temperatur und/oder einer physikalischen Größe und/oder unter Einwirkung eines chemischen Stoffs vernetzbaren Harz, und
(b) Kompaktierung der Filamente, so dass diese aneinander haften,
dadurch gekennzeichnet, dass (c) die Filamente bei der Kompaktierung parallel nebeneinander in einer Fläche angeordnet sind und seitlich aneinander haften, so dass eine weiterverarbeitbare Filamentfolie gebildet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Filamente zum Beschichten beabstandet zueinander seitlich nebeneinander durch ein Spreizgatter oder eine andere Zuführeinrichtung zu einer Beschichtungseinrichtung geführt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur
Kompaktierung und Verbindung der Filamente mit angrenzenden Filamenten der Abstand zwischen den beschichteten Einzelfilamenten verkleinert wird.
8. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Filamente vor der Kompaktierung getrocknet werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beschichteten Filamente zum Trocknen über eine Heizwalze geführt werden, auf die zum Kompaktieren mit einer Anpresswalze ein Druck ausgeübt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet dass die beschichteten Filamente über eine Walze mit veränderlichem Querschnitt geführt werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein ausgewählter Pressdruck auf mehrere, übereinanderliegende Filamentfolien ausgeübt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Pressdruck gleichzeitig mit der Einwirkung des erhöhten Drucks, der erhöhten Temperatur, der physikalischen Größe und/oder der Einwirkung eines chemischen Stoffs zur Vernetzung des Harzes ausgeübt wird. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Filamentfolie oder die Filamentfolienanordnung aus mehreren Filamentfolien vor dem Vernetzen des Harzes zu einer dreidimensionalen Struktur geformt wird
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